2019-2020学年度沪教版选修3-5第2章2.1拨开黑体辐射的疑云课件（共20张PPT）

(共20张PPT)
2.1拨开黑体辐射的疑云
认识新的现象，承认客观事实；
转化思维方式，接受新的理论；
应用量子理论，找准对应关系，定性解释现象；
如遇定量计算，考虑前面知识。
2.1 拨开黑体辐射的疑云
到19世纪末，经典物理学经历300年的发展，已达到完善、成熟的阶段。物理学家认为：辉煌的物理学大厦已经建成，剩下的只是进一步精细化的工作，如在一些细节上作些补充和修正，使各个物理学常量测得更精确一些。
但这时，物理学晴朗的天空中飘着的两朵“乌云”影响了物理学家们的好心情。第一朵与以太的零漂移实验有关，相对论对此作出了圆满的回答。第二朵“乌云”就是热辐射实验的规律
了解黑体和黑体辐射，知道其辐射本领与波长的关系
了解能量子的概念及概念提出的过程
1900年英国物理学家开尔文在展望20世纪物理学的发展的文章中说到：
也就是说：物理学已经没有什么新东西了，后一辈只要把做过的实验再做一做，在实验数据的小数点后面在加几位罢了！
开尔文还讲到：“但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云，----”
正是这两朵乌云发展成为一埸革命的风暴，乌云落地化为一埸春雨，浇灌着两朵鲜花。
相对论问世
普朗克量子力学的诞生
引发近现代物理的两个物理事件
在火炉旁边有什么感觉?投在炉中的铁块开始是什么颜色?过一会是什么颜色?
1、概念： 物体在任何温度下，都会发射电磁波。温度不同，所发射的电磁波的频率、强度也不同。物理学中把这种现象叫做热辐射。
辐射的能量及其按波长的分布都随温度而变化。
一、热辐射
2. 热辐射特点
任何物体任何温度均存在热辐射
温度?升高 发射的能量?增加
电磁波的短波成分?增多
如一个20瓦的白炽灯和一个200瓦的白炽灯
昏黄色
贼亮 刺眼
直觉:低温物体可以发出红外光
炽热物体可以发出可见光
高温物体可以发出紫外光
注意： 热辐射与温度有关：激光 日光灯发光不是热辐射
例如：加热铁块。开始，铁块不发光，随着温度的升高，开始呈现暗红色，逐步变为橙色，最后展现出黄白色。
固体在温度升高时颜色的变化
对固体材料加热，随着温度上升，辐射能量上升，辐射中波长短的成分上升。
“冷”的物体也有热辐射，但强度低，且辐射波段主要在红外区
利用红外摄像仪可以捕捉到这种辐射的信息。
头部各部分温度不同，因此它们的热辐射存在差异，这种差异可通过热象仪转换成可见光图象。
重要应用：
红外传感温度仪、夜视仪（军事、侦察）、报警器、卫星遥感仪、导弹寻踪传感仪…
3、热辐射解释：大量带电粒子的无规则热运动引起的。物体中每个分子、原子或离子都在各自平衡位置附近以各种不同频率作无规则的微振动，每个带电微粒的振动都会产生变化的电磁场，从而向外辐射各种波长的电磁波
实际物体热辐射的复杂性
黑体是理想化模型。
二、黑体与黑体辐射
1、黑体概念：如果某种物体能够完全吸收投射到其表面的电磁波而不产生反射，这种物体就是绝对黑体，简称黑体。
3.黑体辐射实验规律
对黑体加热达到某一温度，平衡时会放出热辐射。
通过透镜、棱镜折射可得到黑体辐射的不同方向不同波长。
通过采集装置可得到黑体的不同波长对对应辐射能量的本领。
实验装置
采集装置
2、黑体平衡热辐射：
加热一黑体，黑体所吸收的能量等于在同一时间内向外辐射的能量，这样的辐射称为黑体平衡热辐射。平衡热辐射时黑体，温度恒定。
1）温度升高，黑体辐射各种波长的本领增强
2）温度升高，黑体辐射本领最大值向短波移动
辐射各种波长的本领
3.黑体辐射实及经验验规律
辐射各种波长的本领与波长的关系
4.理论解释
实验值
瑞利--金斯线
辐射各种波长的本领
玻尔兹曼常数 k =1.380658?10-23J/K
经典物理学所遇到的困难——解释实验曲线
1）维恩（德国）的半经验公式：
公式适合于短波波段，
长波波段与实验偏离。
公式只适用于长波段, 而在紫外区与实验不符, ----“紫外灾难”
2）瑞利（英国）----金斯公式
辐射各种波长的本领
瑞利公式在短波区与实验严重不符，不但不符，而且当波长趋于零时，辐射竞变成无穷大，这显然是荒谬的，由于波长很小的辐射处在紫外线波段，故而由理论得出的这种荒谬结果被认为是物理学理论的灾难，当时称为“紫外灾难”。
普朗克的能量子假说与黑体辐射公式
黑体空腔壁的分子可看作振子，振子的能量是不连续的能量只能是 ?=h?的整数倍:
2.振子辐射或吸收能量时，交换能量的最小单位是?=h?
注 ：1）? = h? 能量子简称量子，能量的最小单位
h=6.63?10-34焦耳·秒-普朗克常数 ；? 振子频率Ｈｚ
n = 1, 2 , 3...
2）振子能量
三、普朗克假设驱“乌云”
1.能量子假说：
3.黑体辐射公式：1900.12.14 普朗克在德国物理学会会议上提出一个黑体辐射公式
普朗克公式图像与实验事实高度吻合
能量子很小，宏观世界一般观测不到能量子效应，可以认为能量是连
续的。因此，经典物理学可以很好的解释宏观现象的运动。但当研究原
子一下的微观世界，就必须考虑能量量子化。
能量
经典
量子
注意：
事实上正是这一理论导致了量子力学的诞生，普朗克也成为了量子力学的开山鼻祖，1918年因此而获得诺贝尔奖。
普朗克的能量子假说使人类认识微观世界的本质有了全新的认识，对现代物理学的发展产生了革命性的影响。普朗克常量是自然界最基本的常量之一，体现了微观世界的基本特征。1918年普朗克因此获诺贝尔奖。他的墓碑上也刻着h=6.63?10-34焦耳·秒
普朗克贡献：
1．对黑体辐射电磁波的波长分布的影响因素是 (　 　)
A．温度　　　　　　　　　 B．材料
C．表面状况 D．以上都正确
2．在一杯开水中放入一支温度计，开水静置室内，可以看到开水的温度是逐渐降低的．既然从微观的角度来看开水的能量是一份一份向外辐射，为什么它的温度不是一段一段地降低呢？
解析：能量子的值非常小，在宏观世界里一般观测不到能量子的效应，可认为能量是连续的，因此经典物理学能很好地解释宏观世界的运动规律，所以看到开水的温度是逐渐降低的．但当人们的研究视野深入到原子以内的微观世界时，就必须考虑能量的量子化．
3．人体表面辐射本领的最大值落在波长为940 μm处，它对应的是何种辐射？能量子的值为多大？
A
解析：可见光的波长的大致范围是400～700 nm，即红光波长约为700 nm，因此人体是对应红外辐射．其对应的能量子
练习：
4．下列叙述正确的是 (　 　)
A．一切物体都在辐射电磁波
B．一般物体辐射电磁波的情况只与温度有关
C．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关
D．黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波
5．能正确解释黑体辐射实验规律的是 (　 　)
A．能量的连续经典理论
B．普朗克提出的能量量子化理论
C．以上两种理论体系任何一种都能解释
D．牛顿提出的能量微粒说
ACD
6．一束红光从空气射入折射率为1.5 的玻璃，则这束红光的能量子将(　　)
A．变小　　　B．变大 C．不变 D．不能确定
解析：选C.光的能量子为E＝hν，光的频率并不改变，因此该题选C.
B
解析：根据黑体辐射的实验规律，随着温度的升高，一方面各种波长的辐射强度都有所增加；另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，现象只能用普朗克提出的能量量子化理论才能得到较满意的解释，故B正确．
解析：选C.光的能量子为E＝hν，光的频率并不改变，因此该题选C.
C
实际物体热辐射的复杂性